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零序功率方向继电器正确接线的判定和校验
接线图
2023年10月06日 21:11 566
admin
江西省电力试验研究所 张旭俊
摘 要 针对零序功率方向继电器的接线判断具有一定的难度、错误接线时有发生，提出了一种分析方法，使问题与读者熟悉的概念建立联系，减少理解记忆难点，增加联想，便于正确掌握零序功率方向继电器的接线的判定和校验。
本文将零序功率方向继电器在极坐标上的动作区和方向阻抗继电器在R，X阻抗复平面上的动作区建立统一联系，把零序功率方向继电器的电压电流向量图和线路功率送受的四象限图建立统一联系，以便于理解与掌握。
1 单相系统的方向继电器
先看在单相系统两侧电源下的接地短路，保护安装处的电流、电压分别为U，I。假设线路阻抗角为70°左右，所以方向继电器的最大灵敏角应选为70°。方向继电器的端子接线如图1所示，加给方向继电器的电流电压分别为Uj，Ij，为了叙述方便，一律把Uj，Ij视作从U，I的极性端接入，Uj反映的是U相对U－的电压，Ij反映的是I流向I－的电流。
方向继电器暂时也沿用感受阻抗的说法，令Zj＝Uj/Ij，这个感受阻抗的角度是保护安装处的电压电流之间的角度，由于可能受弧光电阻的影响，一般Zj的角度可能要小于70°。而方向继电器在R，X阻抗复平面上的动作区，是以70 °方向为最大灵敏角的上半平面。从极坐标的角度说，它的动作区是从－20 °开始，沿逆时针方向至160°为止。从方向阻抗继电器的角度说，它相当于以70°方向的无穷长轴作直径，圆的直径的一端在原点，另一端在无穷远处，因而这个圆内动作区，就是前述的从－20°开始，沿逆时针方向，直到160°为止的动作区。加在方向继电器端子上的电流电压向量图，应这样规定：以流过方向继电器的电流向量Ij为横坐标方向，这样在R，X阻抗复平面上，Uj向量在线路送有功、无功时就落在第一象限，方向继电器的电流电压向量图和线路功率送受的四象限图就建立了统一联系，如图2所示。
这一节只谈方向继电器，解决了方向继电器和方向阻抗继电器的统一联系，以及方向继电器的电流电压向量图和线路功率送受四象限图建立统一联系。请注意方向继电器的动作区的角度范围和以往表述不同，同时注意，方向继电器在出口金属性短路时，由于电压幅值为零，失去了方向判别能力，即存在着死区。
2 三相系统的零序功率方向继电器
若三相分别采用方向继电器，原则上也能保证三种单相接地短路时继电器的方向性，它们加到三只方向继电器上的电压电流分别是：UA，IA，UB，IB，UC，IC。如果在左边电源侧也装三只方向继电器，它们端子上的电压电流分别是：EA，IA，EB，IB，EC，IC。如果在线路正方向发生KA接地短路，则如下两个方向继电器的感受阻抗分别为：
Zj1＝UA/IA＝Zk （1）
Zj2＝EA/IA＝Zs＋Zk （2）
从物理概念上说，它们对短路方向的判别应当是一致的。
由于有了三相，存在3U0和3I0的零序分量，它们分别是：3U0＝UA＋UB＋UC，3I0＝IA＋IB＋IC。
先看在三相系统两侧电源下的单相接地短路，为了对比简化，先假定：
（1） 两侧电势幅值相等，夹角为零，且三相平衡，EA＋EB＋EC＝0；
（2） 大地电阻为零；
（3） 三相导线相间距离很大，不考虑互感。
在上述简化模型中，正常有UA＝EA，UB＝EB，UC＝EC，三相电流全部为零，即线路处于空载。当发生KA接地短路时，由于三相导线之间不考虑互感，因而仍有UB＝EB，UC＝EC，IB＝0，IC＝0，此时若只选用一只方向继电器，采用零序电压电流作信号，接线的方式如图3，则有：
Uj＝-3U0＝－（UA＋EB＋EC）＝EA－UA （3）
Ij＝3I0＝IA （4）
Zj＝EA/IA－UA/IA＝(Zs＋Zk)－Zk＝Zs （5）
现假定在线路出口处发生KA接地短路，UA＝0，此时依公式（1），（2），（5）有：Zj1＝UA/IA＝0，Zj2＝EA/IA＝Zs，Zj＝EA/IA－UA/IA＝Zs。由此可见，装在线路出口处的分相的方向继电器处于死区，而装在左侧电源处的分相的方向继电器依然能正确判别方向动作。而零序功率方向继电器的感受阻抗Zj＝Zs＝Zj2，它和装在左边电源侧的方向继电器感受阻抗Zj2完全一样，也能正确动作。至此读者已很明白：零序功率方向继电器，不但节省器件，而且没有出口短路的死区问题。再看看公式（5），更令人感兴趣的是零序功率方向继电器的感受阻抗是一个定数Zs，它和短路地点远近、弧阻大小无关，其阻抗角Arg（Zs）始终在70°左右，其判别方向的可靠性是很高的，可见零序功率方向继电器比分相方向继电器具有明显的优越性。
由此，我们还可以判定在正向出口发生KB或KC接地短路时， 零序功率方向继电器的感受阻抗始终是Zj＝Zs，而相应的装在左侧电源处的分相方向继电器的感受阻抗也都是Zj＝Zs，可见用一只零序功率方向继电器就能全部反映分别的三种单相接地短路故障。
现在我们去掉上述3条简化假定的制约，在单相接地时，在序网图上看，零序功率方向继电器，就接在零序网上，其感受阻抗就是零序网络中的电源侧系统阻抗Zj＝Zs0。它也是定数，可见上述讨论不受简化条件的影响。
3 带负荷测量零序功率方向继电器
零序功率方向继电器的具体接线如图3， 其中开口三角的接线方式可有多种， 为使其统一， 建议三相电压互感器的二次线圈按如下编号，a－x，b－y，c－z分别表示a，b，c三相的二次低压线圈的两端，a，b，c分别是极性端。ad－xd，bd－yd，cd－zd表示开口三角辅助线圈的两端，其中ad，bd，cd分别是极性端。文章中这样表示似乎繁琐，但对端子排编号而言，很有帮助。一种最方便的开口三角线圈接线推荐如下：开口三角线圈的接地端选cd，编号N600，然后zd和bd相连，yd和ad相连，为便于模拟A相出口处接地（设为金属性），将电压ua去掉，引出甩ua的试验线，编号SA601，最后引出xd，编号L630。 这样引出的开口三角电压Ud＝－3U0， 适于将L630直接引向方向继电器的U端。将N600直接引向方向继电器的U－端，即Uj＝Ud＝-3U0。而电流回路3I0应当引向方向继电器电流输入的I端流入，从I－端流出，即Ij＝3I0。
零序功率方向继电器带负荷试验的要点，就是模拟出口A相接地短路，在正常三相负荷对称、电压正常时，UA＋UB＋UC=0。模拟A相出口接地短路，就是令UA＝0，也就是设法将开口三角输出电压中的UA甩掉。具体方法是将方向继电器的U*端从L630搬到SA601，同时又要设法只让IA的电流经过方向继电器的I*，I－。具体做法是将IB，IC两相电流完全从零序功率方向继电器的电流圈外傍路。这时流过零序功率方向继电器的电压为Uj＝－3U0＝－（UB＋UC）＝UA，电流为Ij＝3I0＝IA。继电器的感受阻抗为Zj＝UA/IA，也就是负荷阻抗。试验时为了可靠，试验电压只有UA一种，但可分别通入IA或IB或IC，分别得到感受阻抗，记为ZAA＝UA/IA，ZAB＝UA/IB，ZAC＝UA/IC。图4中，我们在R，X平面上把方向继电器的动作区和线路送受功率的四象限法画在一起，同时也将上述的测量感受阻抗ZAA，ZAB，ZAC都画在上面，然后根据方向继电器动作的情况来判别，是否和感受阻抗在动作区相应的位置状况一致。注意在R，X阻抗复平面上，ZAA-ZAB-ZAC阻抗向量是逆时针方向的。这是因为电流IA，IB，IC在分母上的缘故，若对电流只通IA，而对Uj分别加以UA或UB或UC时，这时方向继电器感受阻抗分别记为：ZAA=UA/IA，ZBA=UB/IA,ZCA＝UC/IA。而在R，X阻抗复平面上，ZAA-ZBA-ZCA阻抗向量是顺时针的，这是因为UA，UB，UC在分子上的缘故。之所以对方向继电器要引出感受阻抗的概念，是基于如下原因：在线路功率送受四象限图上，Ij向量的方向选R轴的正方向，而零序功率方向继电器带负荷测量时，Ij是轮流引入IA，IB，IC，而电压UA不变，因而在同一张功率送受四象限图上，就很难来绘制上述三种情况的向量图。引用感受阻抗的概念，使我们绕过这一难点，感受阻抗的角度是从实轴算起，它描述的是Uj领先Ij的角度，又符合R，X阻抗复平面上的概念，因而把ZAA，ZAB，ZAC三个复阻抗同时在一个平面上表达就没有问题。
下面举一实例：某线路受有功10MW，受无功70MVAR，模拟出口KA接地短路，即将U端引向SA601。当电流通IA时，测得角度为－100°，继电器制动；当电流通IB时，测得角度为20 °，继电器动作；当电流通IC时，测得角度为140°，继电器也动作。相位表测得角度均以电压领先电流的角度为正。按本文方法绘制R，X阻抗复平面，零序功率方向继电器的动作区，同时画出方向继电器的感受阻抗ZAA，ZAB，ZAC，并注明动作情况。从图可见，零序功率方向继电器的接线是正确的。
问题到此，我们已完整叙述了零序功率方向继电器的接线判别和校验。但现场情况是多变的，如何灵活应用这些方法呢？试看一例：如上接线，对零序功率方向继电器带负荷试验，也可以模拟出口，BC两相接地短路试验。此时只要把方向继电器的U－端，从N600搬到SA601，这时加到Uj的电压为开口三角线圈中甩掉了UB＋UC，即Uj＝－3U0＝-UA，但同时要设法只让IB＋IC的电流经过方向继电器的I*，I－，即这时流过方向继电器的电流Ij＝IB＋IC＝－IA，因而方向继电器的感受阻抗为Zj＝UA/IA，可见结果也是一样。
若现场开口三角线圈的接线不同，首先要用向量图的测量方法判定，其接线如何，L630处相当于3U0呢还是－3U0，总之当引向方向继电器I端的电流是3I0时，引向方向继电器U端的电压只能是－3U0。试验线的引出编号SX601，是相当于甩掉哪一相电压。如果甩掉的是B相电压，则带负荷测量零序功率方向继电器时，应当模拟出口KB故障为宜，以此类推，本文不再重复。
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